科锐XLamp XB-D LED和XT-E LED基于科锐最新的SC3技术平台。SC3技术的核心是新一代碳化硅DA(Direct Attach)芯片，具有更高的光通和光效及更好的可靠性。虽然XLamp XB-D LED和XT-E LED提供较高的性能，特殊的DA芯片结构也给光学设计带来了挑战。本文描述了这些挑战，同时提供了有效克服这些挑战的方法。
一、DA芯片
如图2所示，与蓝宝石衬底相比，碳化硅衬底产生更少的位错。每个位错在芯片表面形成一个微小的黑点，更少的位错意味着更少的黑点，更亮、更高的流明输出，即更高的效率(lm/w)。与蓝宝石衬底比较，这些优点结合DA芯片具有5-10%的光效提升。另外一个优点是更少的外延缺陷，制造的LED更可靠。因此DA芯片结构可提供更高的光输出、坚固性、可靠性和可制造性。
图1 DA芯片侧面图
图2 晶格失配对比
二、XLamp XB-D LED和XT-E LED光学模型
科锐XLamp XB-D和XT-E白光LED基于DA芯片，其光学模型有一些特别的光学特性，呈朗伯光型分布。从DA芯片示意图3看到，为了使光输出最大化，在芯片顶面的斜边切割，给LED的二次光学设计带来了挑战。由于DA芯片的特殊切割，荧光粉会沉积在SiC上面的斜边切割面上。
对于使用EZ芯片的XP系列产品，蓝光和黄光几乎从相同的面出射。对于使用DA芯片的产品，类似小尺寸的远程荧光粉结构，蓝光从InGaN外延层出射，黄光从DA芯片顶面的斜边切割面出射，当设计小角度的二次光学时，在光强和颜色分布上可能会有一些不均匀的现象。图4和图5表示光是如何从XLamp XP LED(EZ芯片)和XB-D LED、XT-E LED(DA芯片) 产生的。
图3 DA芯片示意图
图4 EZ芯片出射光示意图
图5 DA芯片出射光示意图
为了改善光输出，在DA芯片顶面有斜边切割，这导致芯片上的荧光粉厚度不一致。图6是XT-E LED点亮时的近场图，注意图中心黄色的十字，这表示在十字上有更厚的荧光粉层。
图6 DA芯片白光LED的近场图
科锐使用Radiant Imaging影像式光源测角仪(SIG)生成辐射源模型(RSM)数据文件。SIG系统捕获一个精确的光源近场输出模型，生成的图像数据和RSM文件能提供完整的光源输出特性，通过ProSource软件可以导出包含任意光线数的文件，用于其它光学照明软件如ASAP、FRED、LightTools、LucidShape、TracePro、Zemax等。科锐网站提供XLamp LED的RSM文件和LED 3D模型等配套文件都可在。
三、LED二次光学基础
如果LED的光分布不符合特定的应用需求，需要用二次光学改变LED的光分布，使成品灯的光分布满足要求。二次光学也可用来改善在目标区域内的颜色和光分布均匀性。LED二次光学分类如下：1．反光杯、反射器；2．透镜；3．结合透镜和反光杯，如全反射透镜(TIR)；4．扩散器。每种光学系统控制光的方式不同，制造技术和价格也不同。LED二次光学的主要功能：
1)准直：使大部分光最大可能的照射在目标上，如手电筒或聚光灯。
2)扩散：使光以更大角度传播或隐藏、模糊LED光源，如线性灯或LED球泡。
3)照明：使光照射在特定的区域上而不照射在其他区域，如路灯或区域灯。
抛物面反光杯在准直光方面非常有效，相对传统的透镜来说易于制造且价格便宜。但是反光杯只有一个面控制光束，很多从光源发出的光没有经过反光面反射就直接出射了，经过反射面反射的光是被控制和准直的，没有经过反射面反射的光是不被控制的，这些光被称为溢出光。
反过来，传统透镜能很好的控制光束中心的光，但是由于透镜的尺寸问题，不能控制大角度上的光。TIR透镜是结合反光杯和传统透镜优点的二次光学：
1)能同时控制直射光和反射光
2)使光在离开系统前至少经过2个面
3)即使透镜尺寸很小也会很有效
4)相对反光杯价格较高
如图7所示，TIR透镜包含一个全反射(TIR)面和一个折射透镜。折射透镜控制LED光束中间的光，TIR面控制大角度上的光。
图7 TIR透镜
三、XLamp XB-D LED和XT-E LED光学设计技巧
如前面提到的XLamp XB-D LED和XT-E LED使用DA芯片，在小角度时颜色会不均匀。可使用对于TIR透镜，混合颜色的方法有：
1．透镜的顶面磨砂或增加微透镜，如图8和9所示。增加的微结构过多，会导致出光角度过大，损失过多的光，反之，太少混色会不均匀。
图8磨砂面(Ledil提供)
图9微结构(Gaggione提供)
2. 折射透镜上增加扩散结构，如图10所示。
图10扩散结构(Illumination Machines提供)
3．TIR表面增加扩散结构，如图11所示。
图11 TIR面上的扩散结构(Ledlink提供)
四、二次光学产品介绍
运用颜色混合技术和透镜设计软件，许多光学公司已经开发了很多针对XLamp XB-D LED和XT-E LED的很好的TIR透镜。下面是3个案例，数据由光学公司提供。
案例1：Illumination Machines
为XT-E LED设计的12°(FWHM) TIR透镜，光斑均匀，中心光强12.5cd/lm，光学效率89%。
图12 Illumination Machines 12°XT-E TIR透镜和光斑效果图
图13 XT-E LED光强分布(上图)及加TIR透镜后的光强分布对比(下图)
案例2：Ledlink
为XT-E LED设计的14°(FWHM) 20mm TIR透镜，光斑均匀，中心光强8.3cd/lm。
图14 Ledlink 14° XT-E TIR透镜和光斑效果图
图15 加TIR透镜后的XT-E光强分布
案例3：Gaggione
为XB-D LED设计的20°×30°椭圆光斑16mm TIR透镜，光斑均匀，中心光强3.2cd/lm。
图16 Gaggione 20°×30° XB-D LED TIR透镜和光斑效果图
图17 XB-D LED光强分布(上图)及加TIR透镜后的光强分布对比(下图)
五、结语
科锐的XLamp XB-D LED和XT-E LED基于最新的SC3技术平台，并采用提供业界领先的光效的XLamp DA芯片，为了实现更好的光学设计，本文阐述了一些光学基础知识，帮助理解如何使用TIR透镜来设计XB-D LED和XT-E LED实现良好均匀一致的窄光束。
(审核编辑: 智汇李)
